1、,偏析的分类和定义,2011年8月3日,材料加工工程,1,液 态 金 属,体积收缩,变形缩孔缩松,热裂纹 冷裂纹,气体元素 杂质元素,化合物,夹渣,气泡,气孔,过饱和析出,降温凝固,受拘束,应力,滞留,成分偏析,非平衡凝固,低熔点共晶,凝 固 缺 陷,2011年8月3日,材料加工工程,2,化学成分的不均匀性,铸件(锭)中化学成分不均匀的现象称为偏析。由于金属凝固过程中的选分结晶，导致晶体中的偏析是不可避免的。偏析分为两种： 微观偏析晶粒尺寸范围（包括晶界）里的化学成分不均匀现象。 宏观偏析铸坯整个断面上化学成分不均匀现象。偏析的分类 微观偏析 ：晶内偏析（枝晶偏析），晶界偏析 宏观偏析 ：正偏
2、析，逆偏析，V型偏析和逆V型偏析， 带状偏析，重力偏析,2011年8月3日,材料加工工程,3,化学成分的不均匀性,偏析也可根据铸件各部位的溶质浓度CS与合金原始平均浓度C0的偏离情况分类。凡CSC0者，称为正偏析，CSC0者，称为负偏析。这种分类不仅适用于微观偏析也适用于宏观偏析。 偏析是铸件的主要缺陷之一。偏析对铸件质量影响很大，主要表现在以下几个方面： （1）微观偏析使晶粒范围内的物理和化学性能产生差异，影响铸件的力学性能。有时使铸件难于加工。 （2）晶界偏析往往有更大的危害性，由于偏析使得低熔点共晶容易集中在晶粒边界，即增加铸件在收缩过程中产生热裂的倾向性，又能降低铸件的塑性。 （3）宏
3、观偏析使铸件各部分的理学性能和物理性能产生很大差异，影响铸件的使用寿命和工作效果。,2011年8月3日,材料加工工程,4,10-1 微 观 偏 析,微观偏析按其形式分为胞状偏析、枝晶偏析和晶界偏析。它们的表现形式虽不同，但形成的机理是相似的，都是合金在结晶过程中溶质再分配的必然结果。 一、晶内偏析（枝晶偏析）,2011年8月3日,材料加工工程,5,晶内偏析产生于具有结晶温度范围，能形成固溶体的合金中，在铸造条件下，当合金冷却较快时，将形成不平衡结晶。 现在用图6-1说明固溶体合金C0成分的不平衡结晶过程。,晶内偏析（枝晶偏析）,图6-2、图6-3分别表示含30%Cu的Ni-Cu固溶体合金在凝固
4、时固 溶体中无扩散和有若干扩散时的晶体中心成分、表面成分以及平均 成分随温度的变化。,2011年8月3日,材料加工工程,6,在实际铸造条件下，由于冷却速度快，固相中的溶质还未充分扩散，液体温度降低，固液界面向前推进，又结晶出新成分的晶粒外层，致使每个晶粒内部的成分存在差异。这种存在于晶粒内部的成分不均匀性，称为晶内偏析。由于固溶体合金多按枝晶方式生长，先结晶的枝干和后结晶的分枝的成分也存在差异，而且分枝本身(内外层)、分枝与分枝间的成分是不均匀的，故也称枝晶偏析。,2011年8月3日,材料加工工程,7,Ni-Cu合金的铸态组织（SEM）,枝 晶 偏 析,铸钢组织也呈树枝状，其中先结 晶的枝杆中
5、心含碳量较低，后结晶出 的分枝含碳量较高，枝晶间含碳量更 高，树枝晶中这种化学成分不均匀的现象，称为枝晶偏析，因为他属于 一个晶粒范围的成分不均匀，所以也 称为晶内偏析。图6-5表示用电子探针所测定低 合金钢溶液中生成的树枝状晶各截面 得溶质等浓度线。从中可以清楚看出 溶质在一次分枝、二次分枝以及晶内 的分部。,2011年8月3日,材料加工工程,8,枝 晶 偏 析,枝晶偏析的描述：当不考虑固相中的扩散 时，用Scheil方程式描述：,2011年8月3日,材料加工工程,9,应该指出的是，Scheil方程是在假定固相没有溶质扩散的条件下导出的，是一种极端情况。实际上，特别是在高熔点合金中，如碳、氮
6、这些原子半径较小的元素在奥氏体中扩散往往是不可忽视的。,图6-7表示Cu-Sn8%合金单相凝固时铸态组织中Sn在枝晶横截面分布的等浓度线。已知Cu-Sn合金的平衡分配系数K0=0.36，如不考虑溶质在固相中的扩散，枝干中心Sn的浓度应为K0C0=2.9%小于6%。这说明溶质原子在固相中的扩散是不可忽视的。,枝 晶 偏 析,2011年8月3日,材料加工工程,10,当考虑固相中有扩散、液相均匀混合时描述为：,DS溶质在固相中的扩散系数 局部凝固时间 S枝晶间距一半,由此可知，枝晶偏析的产生主要决定于：溶质元素的分配系数k0和扩散系数DS ，冷却条件和枝晶间距。,各种元素在不同合金系中的分配系数k0
7、和扩散系数DS是不同的，因此，枝晶偏析程度也不同。分配系数k0愈小(k0 1时)或k0愈大(k0 1时)，或扩散系数DS愈小，则枝晶偏析愈严重。因此，可用l1- k0l定性地衡量枝晶偏析的程度。 l1- k0l愈大，枝晶偏析愈严重， l1- k0l称为偏析系数。,2011年8月3日,材料加工工程,11,表10-1不同元素在铁中的偏析系数,几种元素在铁中的k0和l1- k0l示于表10-1。可以看出碳钢中，S、P、C是最易产生枝晶偏析的元素。,枝 晶 偏 析,2011年8月3日,材料加工工程,12,枝晶偏析的大小可用枝晶偏析度Se,Cmax某组元在偏析区内的最高浓度 Cmin某组元在偏析区内的最
8、低浓度C0某组元的原始平均浓度,枝晶偏析比SR,表10.2几种元素在钢锭中的枝晶偏析度Se,枝 晶 偏 析,冷却速度的影响冷却速度v0对枝晶偏析的影响是通过和s体现的。,图为冷速对镁合金 (Mg-0.2Ca)中Ca的 枝晶偏析的影响。可以看出，即使冷却速 度很小，SR仍大于1，这表明铸锭中仍存在 枝晶偏析，且随冷却速度的增大而增大。 当冷却速度增大到某一值后，再继续增加 冷却速度，枝晶偏析程度减轻。,2011年8月3日,材料加工工程,13,曾认为，冷却速度愈大，枝晶偏析愈严重。由上述结果可知，这种看法是不全面 的。增大冷却速度有时反而减轻枝晶偏析，甚至当冷却速度增大到某一临界值(106108/
9、s)时，不仅固相的扩散不能进行，液相中的扩散也被抑制，反而得到成分均匀的非晶态组织。,某元素在铸件中的枝晶偏析程度因其它元素存在而又相当大的变化。例如，硫、磷在碳钢中的枝晶偏析程度与碳含量有关，如图10.5所示。随着碳含量的增加，硫、磷在碳钢中的枝晶偏析程度明显增加。这可能是由于碳改变了硫、磷在钢中的分配系数和扩散系数的缘故。,枝 晶 偏 析,2011年8月3日,材料加工工程,14,图10.5碳对硫磷在铸锭中枝晶偏析的影响,晶内偏析是不平衡结晶的结果，在热力学上是不稳定的。如果采取一定的工艺措施，使溶质进行充分扩散，就能够消除晶内偏析。生产是那个常采用扩散退火或均匀化退火来消除晶内偏析。,晶
10、界 偏 析,2011年8月3日,材料加工工程,15,在合金凝固过程中，溶质元素和非金属夹杂物富集于晶界，使晶界与晶内的化学成分出现差异，这种成分不均匀现象称为晶界偏析。晶界偏析的产生有两种情况，如图10-2所示。,（a)两个晶粒并排生长,两个晶粒并排生长，晶界平行于生长方向，由于表面张力平衡条件的要求，在晶界与液相交界的地方，会出现一个凹槽，深度可达10 8 m。此处有利于溶质原子的富集，凝固后就形成了晶界偏析，如图（a）所示。,晶 界 偏 析,2011年8月3日,材料加工工程,16,b)两个晶粒面对面生长,两个晶粒彼此面对面生长，在固/液界面处溶质被排出（k0 1），此外，其他低熔点的物质也
11、会被排挤到固/液界面，即在它们之间富集大量溶质和低熔点物质；当两个晶粒相遇时形成晶界，最后凝固的晶界部分将含有较多的溶质和其它低熔点物质，从而造成晶界偏析，如图（b）所示,胞状偏析,固溶体合金凝固时，若成分过冷不大，晶体会呈胞状方式生长。胞状结构由一系列平行的棒状晶体所组成，沿凝固方向长大，呈六方断面。由于凝固过程中溶质再分配，当合金的平衡分配系数k0 1时，六方断面晶界处的溶质会贫化。这种化学成分不均匀性称为胞状偏析。,图10-3 胞状生长时溶质分布示意图,2011年8月3日,材料加工工程,17,三、微观偏析的防止和消除,枝晶偏析是不平衡结晶的结果，在热力学上是不稳定的，如能设法使溶质原 子
12、进行充分扩散即能消除枝晶偏析。把铸件加热到低于固相线100200，长期 保温，使溶质原子充分扩散，则可减轻或消除枝晶偏析。此即为均匀化退火。图6-10为图6-4所示的Cu-Ni合金经均匀化退火后的组织及与之相对的特征X 射线强度曲线，可以看出，枝晶偏析基本消除。,2011年8月3日,材料加工工程,18,三、微观偏析的防止和消除,均匀化退火时间取决于枝晶间距和扩散系数。所以凡能细化晶 粒的措施，如提高冷却速度，加入晶粒细化剂等，减轻微观偏 析，再通过均匀化退火处理，可消除。对合金进行孕育处理或加入某些元素往往能使树枝状晶的尺 寸或单位面积上的树枝状晶的数量发生变化，这将改变枝晶内的 溶质分布。但
13、是晶界上存在的稳定化合物，如氮化物、硫化物和某些碳 化物，即使采用均匀化退火往往也无能为力。因此，对于这些化 合物所引起的晶界偏析，应该从减少合金中氮、硫的含量入手。,2011年8月3日,材料加工工程,19,6-2宏 观 偏 析,宏观成分偏析是铸锭，特别是合金铸锭和大型铸件生产中经常遇到的一种铸造缺陷。它的形成不仅取决于合金自身的结晶特点，而且与凝固过程中的传热、传质以及液相的流动方式密切相关。本世纪以来，随着钢铁工业和科技的飞速发展，人们对凝固中出现的各种宏观偏析现象进行了大量的、系统的研究。 在保证凝固前沿为平界面时，铸件内的宏观偏析可用Scheil方程近似的描述。但在实际生产条件下，保证
14、凝固前沿为平面是困难的，往往存在两相区。此时，铸件生产宏观偏析的途径：1）在铸件凝固早期，固相或液相的沉浮；2）在固液两相区内液体沿枝晶间的流动。下面我们将就有关宏观偏析的问题进行讨论。,2011年8月3日,材料加工工程,20,一、晶间液体的流动对宏观偏析的影响,研究发现，液态金属沿枝晶间的流动对铸件产生宏观 偏析起着重要的作用。金属沿枝晶间流动的原因主要是： 1）熔体本身的流动驱使固液两相区内的液体流动； 2）由于凝固收缩的抽吸作用促使液体流动； 3）由于密度差而发生的对流。在凝固过程中铸件中存在温差，因此，在同一时刻铸件各处未凝液相的数量是不同的。,2011年8月3日,材料加工工程,21,
15、一、晶间液体的流动对宏观偏析的影响,1、产生宏观偏析的条件 当考虑枝晶间有液体流动时，枝晶的溶质分布可用下式描述,2011年8月3日,材料加工工程,22,凝固收缩率;等温线移动速度;液体沿方向的流动分速度；固液界面上固相的溶质浓度；K0平衡分配系数；C0原始浓度；fs固相分数。,一、晶间液体的流动对宏观偏析的影响,若干个枝晶的范围内的平均固相成分：显然，若 等于C0 时，无宏观偏析，大于C0时，为正偏析，小 于C0时，为负偏析。 决定 值得关键为q，上式即为宏观偏析的判断式。从上式可以看 出，当C0一定时，q 是影响宏观偏析的决定因素。而当C0一定时， 亦为定值。因此对宏观偏析起决定作用的是v
16、/u,即液体流动速度 与等温线移动速度比值得大小及两者的方向。,2011年8月3日,材料加工工程,23,一、晶间液体的流动对宏观偏析的影响,以Al-Cu4.5%合金为例，分析v/u对宏观偏析的影响（如图6-12）。该合金的凝固收缩系数为=0.057。,2011年8月3日,材料加工工程,24,当 ，即 将代入公式（6-1），公式（6-1）与Scheil方程完全一样，这说明在所选取的局部地区（体积单元）其平均固相成分 ，无宏观偏析。这里不难看出，不产生宏观偏析的条件： 一是 与 两者的方向相反； 一是 的绝对值要比 的绝对值小的多，即 。,一、晶间液体的流动对宏观偏析的影响,当 ，即 ， 时，液体
17、流动速度的绝对值要比没有宏观偏析时大，且方向与等温线移动的方向相反，即液体在两相区内由热端流向冷端，亦即液体从含Cu较低的热区流向含Cu较多的冷区，降低了该区的平均成分 ，产生了负偏析。,2011年8月3日,材料加工工程,25,当 ，即 ，此时，液体流动方向与等温线 方向一致，即由含Cu量多的冷区流向含Cu量较少的热区，从而提高了该区的平均成分 ，产生了正偏析。,一、晶间液体的流动对宏观偏析的影响,2、凝固收缩和液相密度对宏观偏析的影响等温线移动速度取决于冷却速度，而液体沿枝晶间的流动近似遵守Darcy定律，即,液体的密度； g重力加速度；液相的体积分数； 液体的粘度系数； P作用在枝晶间液体
18、上的压力； K渗透系数， 为与枝晶结构和枝晶空隙有关的常数。,2011年8月3日,材料加工工程,26,一、晶间液体的流动对宏观偏析的影响,在决定 值得诸因素中，显然 与冷却速度有关，冷却速度越大，枝晶间隙越小，也越小。 压力P还与凝固收缩有关，凝固收缩产生的负压对液体有抽吸作用，促使液体流动。 作为液体的密度 ，在凝固过程中随着成分的改变而改变，如果由于凝固改变液体成分而使密度增加时，会使液体向下流动，反之，当密度减少时，会使液体向上流动。由此可知，促使液体流动的动力来自（1）凝固收缩；（2）液体密度的改变,2011年8月3日,材料加工工程,27,一、晶间液体的流动对宏观偏析的影响,如图6-1
19、3所示的铸件，从高度L/2起，截面积减少到1/9，浇注Al- 4.5%Cu合 金，采用自下而上的单向凝固。在凝固前沿的固液两相区内，靠近下部的液相铜含 量高，沿凝固推进方向铜含量逐渐减少。密,2011年8月3日,材料加工工程,28,度大的液体始终在下部，液体的密度差不能引起液体流动，液体流动仅由凝固收缩所致，因此，流动方向与等温线移动方向相反，即 为负值。可想而知，在铸件截面积突然变细的地方，液体流速最大。由宏观偏析的判别式可知，此处应产生较大的负偏析。图6-13示出该铸件沿高度方向上的铜分布，可以看出，在L/2 处存在较大的负偏析，与上述分析完全吻合。,单向由下至上凝固的Al-Cu4.5%合
20、金铸件中Cu分布,正 常 偏 析,当铸件(锭)凝固区域很窄时(逐层凝固)，固溶体初生晶生长成紧密排列 的柱状晶，凝固前沿是平滑的或为短锯齿形，枝晶向液体的流动对宏观偏 析的影响则降为次要地位，宏观偏析的产生主要与结晶过程中的溶质再分 配有关。,随着凝固前沿向中心推进， “多余”的溶 质原子(k01)被排斥在周围的液体中。 这部分液体的溶质浓度逐渐升高，后结 晶的固相溶质浓度不断增加，导致铸件 先凝固区域(铸件的外层)的溶质浓度低于 后凝固区。 k0 1的合金则与上述情况 相反。按照异分结晶的规律，这是正常 现象，故称正常偏析。,2011年8月3日,材料加工工程,29,a 平衡结晶 b 固相无扩
21、散液相只有扩散 c 固相无扩散液相均匀混合 d 液相部分扩散,正 常 偏 析,厚壁铸钢件中碳、磷、硫等溶质的分布规律,2011年8月3日,材料加工工程,30,铸件表面细晶粒区内，钢液来不及在宏观范围内选择结晶，其平均溶质浓度为C0(原始平均浓度）。与细等轴晶区相连的柱状晶区，凝固由外向内依次进行，且凝固区域很窄，先凝固的部分溶质浓度较低，“多余”的溶质被排斥在周围的液体中，后结晶的固相溶质浓度随之升高，结晶开始温度则相应降低。当铸件中心部位的液体降至结晶温度时，生长出粗大的等轴晶。含溶质浓度较高的液体被阻滞在柱状晶区与等轴晶区之间，该处磷、硫、碳的含量较高。中心等轴晶区平均成分也为C0 。,正
22、 常 偏 析,通过上述分析可知，铸件产生宏观偏析的规律与铸件的凝固特点密切相关。当铸件以逐层凝固方式凝固时，凝固前沿时平滑的或短锯齿形，溶质原子易于向垂直于凝固界面的液体内传输。此时，枝晶间液体的流动对宏观偏析的影响降至次要地位，凝固后的铸件内外层之间溶质浓度差大，正常偏析显著。当铸件凝固区域较宽时，枝晶得到充分的发展，排出的溶质在枝晶间富集，且液体在枝晶间可以流动，从而使正常偏析减轻甚至完全消除。正常偏析随着溶质偏析系数值得增大而增大。但对于偏析系数较大的合金，当溶质含量较高时，铸件倾向体积凝固，反而减轻正常偏析或不产生正常偏析。正常偏析的存在使铸件性能不均匀，随后的加工和热处理也难以根本消
23、除，故应采取适当措施加以控制。,2011年8月3日,材料加工工程,31,逆 偏 析,铸锭和铸件凝固后，常常可以 观察到与正偏析相反的情况，即 铸锭的表面或底部含溶质元素较 多，而中心部分或上部含溶质较 少(ko1)。 Cu-Sn和Al-Cu合金是易于产生逆偏 析的两种典型合金，Cu-Sn10%合金 铸件表面含锡量有时高达20一25。 在灰铸铁件表面有时会出现磷共晶 的汗点。,2011年8月3日,材料加工工程,32,图6- 16表示含Cu4.7%的铝合金铸件断面上产生逆偏析的情况，虚线表示原始成分，而实线表示铜的实际分布。,逆 偏 析,逆偏析的形成有以下几方面的共同特点： （1）结晶范围宽的固溶
24、体型合金； （2）铸件缓慢冷却时逆偏析程度增加； （3）枝晶粗大时易产生逆偏析； （4）合金液含气量较高时易出现逆偏析。 上述共同特点联系起来，对逆偏析的形成原因可作如下解释：宽结晶温度范围的固溶体型合金在缓慢凝固时易形成粗大的树 枝晶，枝晶相互交错，枝晶间富集着低熔点的溶质，当铸件产生 体收缩时，低熔点溶质将沿着树枝晶间向外移动。如果液态合金 中溶解有较多的气体，在凝固过程中将助长逆偏析的形成。,2011年8月3日,材料加工工程,33,2011年8月3日,材料加工工程,34,V型偏析逆V型偏析,宏观偏析简介,定义：较大尺寸范围内的化学成分不均匀现象，又称长程偏析或区域偏析；分类：正偏析（Cs
25、Co） 、逆偏析（CsCo）、V形偏析、逆V形偏析、带状偏析、密度偏析、区域偏析、层状偏析,2011年8月3日,材料加工工程,35,形成宏观偏析的途径,在凝固早期所形成的固体相或非金属夹杂的漂浮或下沉；两相区内的液态在枝晶间隙中流动。,2011年8月3日,材料加工工程,36,V型偏析和逆V型偏析简介,常出现在大型铸锭中，一般呈锥型，偏析带中含有较高的C以及P和S杂质,2011年8月3日,材料加工工程,37,形成机理,.：固-液界面偏析元素的富集将阻碍结晶的生长，出现周期性结晶。由于结晶沉淀，在铸锭的下半部形成溶质浓度低于平均成分的负偏析区，上半部则形成高于平均成分的正偏析区,2011年8月3日
26、,材料加工工程,38,V形偏析,大野认为，铸锭在凝固过程中，由于结晶堆积层的中央下部收缩下沉； 而上部不能同时下沉，就会在堆积层上方产生V形裂缝，V形裂缝被低熔点的溶质填充，便形成V形偏析,2011年8月3日,材料加工工程,39,逆V形偏析,铃木：逆V形偏析的形成是由于密度小、溶质浓度高的金属液沿固-液界面上升所引起的。 另一种看法是，当铸锭中央部分在凝固过程中下沉时，侧面向斜下方产生拉力，在其上部形成逆V形裂缝，且被低熔点溶液所填充，形成逆V形偏析。,2011年8月3日,材料加工工程,40,影响偏析的因素,降低铸锭的冷却速率，枝晶粗大，液体沿枝晶间的流动助力减小，促进溶质富集液相的流动，均会
27、增大形成V形偏析和逆V形偏析的倾向,2011年8月3日,材料加工工程,41,带状偏析,2011年8月3日,材料加工工程,42,带状偏析 定义,区域偏析的一种特殊形式，指铸锭中某些局部区域的化学成分与其周围区域存在差异的现象。钢锭中的带状偏析按其分布特征，可分为型偏析（倒V型偏析）和V型偏析两种,2011年8月3日,材料加工工程,43,带状偏析常出现在铸锭或厚壁铸件中，有时是连续的，有时则是间断的，偏析的带状总是和液-固界面相平行。带状偏析的形成是由于固-液界面前沿液相中存在溶质富集层且晶体生长速度发生变化的缘故。,带状偏析成因：溶质再分配成分过冷,2011年8月3日,材料加工工程,44,图（b
28、)由于固-液界面的过冷降低，固体生长受到限制，晶体在固-液界面前方过冷度较大的部位优先生长，并且长出分枝，成为树枝状，溶质含量高的金属液将被树枝晶捕捉（包围），在固-液界面其钠盐的溶质浓度降低。,图（a)中的固-液界面，在液体金属中的溶质扩散速率低于固体的生长速率时，产生溶质偏析（富集），固-液界面处的实际过冷度将下降。 。,2011年8月3日,材料加工工程,45,图（c）所示，固-液界面前沿过冷度又相对增大。 由于液固界面的过冷降低，固体生长受到限制，晶体在固液界面前方过冷度较大的部位优先生长，并且长出分枝，成为树枝状，溶质含量高的金属液将被树枝晶捕捉（包围），在固液界面前沿的溶质浓度降低,
29、图（d)中枝晶继续成长将与邻近的枝晶连接在一起，形成平滑界面；固-液界面推进又会引起固-液界面的过冷度下降,2011年8月3日,材料加工工程,46,固液界面推进又会引起固液界面的过冷度下降,如图（e）和 图（f）所示，结晶前沿的成长又会出现新的停滞。如此重复，在逐渐断面可能会出现数条带状偏析,2011年8月3日,材料加工工程,47,图（g）所示，当固-液界面过冷度降低，固-液界面推进受到溶质偏析的阻碍时，由于界面前方的过冷度较大，从侧壁上可能产生新的晶粒并继续长大，从前方横切溶质农化带，也能形成带状偏析,2011年8月3日,材料加工工程,48,带状偏析的形成不进与固液界面溶质富集而引起的过冷程
30、度有关，而且受晶体成长速率变化的影响当固液界面前方有对流或搅拌时，由于溶质的均匀化，可阻止带状偏析的形成如果减少溶质的含量，采取孕育措施细化晶粒，加强固液界面前的对流和搅拌，都能够防止或减少带状偏析的形成,减少带状偏析方法,断口附近纵向截取面上可看到近中心区有明显的带状组织偏析。图中黑色条状即组织偏析区,2011年8月3日,材料加工工程,49,碳化物带状偏析是国产H13钢普遍存在的质量问题,其形成原因是由于碳和合金元素沿锻轧方向的偏析所引起。在钢锭冷却时,钢液中分配系数小于1的合金元素和杂质元素不断从树枝晶析出,因而这类元素在树枝晶间区域的浓度明显高于树枝晶内的浓度。由于这种微观结晶偏析,在枝
31、晶间最后凝固的部分富集着碳和合金元素,凝固后形成大量的碳化物,在锻轧过程中它逐步沿热加工方向延伸成带状。,碳化物带状偏析,2011年8月3日,材料加工工程,50,带状偏析对H13钢芯棒的使用性能有很大影响。由于带状组织相邻带的显微组织不同,淬回火后在带之间会产生应力集中。带状偏析的存在会造成钢材的冲击韧性,塑性和断裂韧性等降低,并具有明显的各向异性,而且碳化物集聚区域最易成为疲劳裂纹源。因此,对芯棒材料要严格控制碳化物带状偏析。,碳化物带状偏析,2011年8月3日,材料加工工程,51,重 力 偏 析,在铸锭中经常发现底部和顶部存在着明显的成分差异。这除 了是由于沿垂直方向逐层凝固而产生的正常偏
32、析外，在许多场 合，是由于固、液两相之间或互不相溶的液相之间有的密度不 同，在凝固过程中发生沉浮现象而造成的，故称重力偏析。重力偏析产生在铸件凝固之前或刚刚开始凝固之际。绝大多数 的合金，固相密度较液相大，所以初生晶总要下沉，所谓的“结晶 雨”即指此而言，从而使铸锭上部和下部的化学成分不同。例如Cu- Pb合金，由于铜和铅的密度相差较大，液体存在分层现象，上部 含Cu多，下部含Pb多，在浇注前即使搅拌，凝固后的铸件也会产 生重力偏析。,2011年8月3日,材料加工工程,52,重 力 偏 析,2011年8月3日,材料加工工程,53,铸件在凝固过程中，固液两相区内的液体存在密度差，在重力作用下，发
33、生向上或向下流动，也形成重力偏析。例如，一断面均匀的Al-4.5%Cu合金铸件，水平浇注，一端设置冒口，如图所示。,铸件从另一端沿水平方向单向凝固，在凝固前沿的固液两相区内液体沿X轴方向存在温度、成分和密度差。靠近固相边界的流体含Cu量高，密度大，在重力作用下向下流动，导致重力偏析的产生。,重 力 偏 析,在其它条件相同时，固液相之间或互不相溶的液体之间的密度差越大，则重力偏析越严重。因此，一些以W、Pb等重金属为溶质的合金或一些以铝镁等轻金属为溶质的合金，如何防止或减轻重力偏析是生产中的主要问题之一。加快结晶速度，机械搅拌液态金属可以减轻重力偏析。加入第三组元，形成高熔点、密度与液相相近的固
34、相，先形成枝晶骨架，可阻止偏析相浮沉。例如，向Pb-Sn17%合金中加入1.5%Cu，首先形成CuPb骨架，即可减轻和消除比重偏析。,2011年8月3日,材料加工工程,54,宏观偏析的预防与消除,宏观偏析是由于铸件在凝固期间固相和液相的沉浮以及未凝固的 液体在枝晶间的流动等造成的铸件各个部位间的化学成分不均匀的现 象，是一种较长距离的偏析。通过均匀化退火很难完全消除。,2011年8月3日,材料加工工程,55,防止对策 ： 对于因密度差异所造成的重力偏析，可通过在熔炼时和浇注前充分搅匀合金熔液；尽量缩短合金熔液停放时间；加入某种合金元素，遏制比重偏析，铸件凝固时，强化冷却，加速凝固；合理控制铸件凝固方向等加以预防。 对于区域偏析(正常偏析或逆偏析)，不能用均匀化扩散退火方法子以消除，因为偏析的溶质元素扩散距离过长而不能奏效，故应以预防为主。主要是铸件结构应理，避免有过度肥厚断面以免在此产生区域偏析，强化冷却，使铸件迅速凝固，添 加合金元素，遏制偏析。,改善宏观偏析的基本方法,根本措施：细化晶粒，增加细等轴晶数量。等轴晶区的大小与偏析的关系见图1 。 工艺方法：1、控制冷却速度（低过热浇注、提高外部冷却强度）。浇注温度与等轴晶数量关系见图2。 2、生核处理。其方法前面已介绍。 3、悬浮浇注。,2011年8月3日,材料加工工程,56,2011年8月3日,材料加工工程,57,谢谢观赏,
